Probleme specifice apelor termale in contextul hidrodinamicii subterane

Din multitudinea problemelor mecanicii fluidelor si hidrodinamicii subterane, cu adresa la hidrozacamintele termale, vom retine cateva, de interes deosebit in scopul lucrarii:

densitatea apei ca functie de presiune si temperatura;

transmiterea caldurii intr-un mediu granular;

ridicarea apelor termale de-a lungul faliilor;

un model de simulare a evolutiei sistemelor hidrominerale subterane pentru un perimetru din Campia de Vest a tarii.

a)      Densitatea apei ca functie de presiune si temperatura

Problema este importanta pentru cunoasterea conditiilor in care, in subsol, zacamantul hidrotermal, contine si vapori, respective gaze supraincalzite.

Ea se refera la tranzitia apei in stare de vapori (gaze) care are loc la o temperature ce este, ea insasi, o functie de presiune (adancime) ( fig.1 ).

Tranzitia o cantitate mare de caldura latenta, cantitate care scade apreciabil cand temperature creste. Densitatea vaporilor la fel ca a tuturor gazelor, scade usor cand temperatura creste si creste repede cu presiunea. La punctual critic ( teta=375 gr C, presiunea=221,06 bari ), volumul specific al vaporilor devine egal cu acela al apei lichide, caldura latenta scade la zero, diferentele intre ambele faze aproape dispar.

Pentru temperaturi si presiuni cu valori mai inalte decat decat punctual critic (domeniul supracritic), exista doar o singura faza,a carei densitate variaza de o maniera continua. Sunt calculate tabele care ofera caracteristiciile specifice ale apei si vaporilor ca functie de temperatura si presiune si, in particular, caldura specifica. Valorile de vascozitate sunt cele mai putin cunoscute in domeniul supracritic.

Daca apa subterana contine vapori de apa dizolvati, acestia vor fi acumulati in faza de vapori, in care presiunea totala va fi suma presiunilor partiale ale gazelor si vaporilor de apa. Vaporii vor interactiona cu apa pana ce presiunea ultimei va fi in echilibru cu presiunea totala a fazei gazoase.

Situatiile se complica daca in apa se gasesc saruri minerale dizolvate iar acestea au o distributie neuniforma intre aceste doua faze ( apa-vapori ), majoritatea aflandu-se in faza lichida. Prezenta sarurilor minerale au ca effect ridicarea punctului critic.

b)      Transmiterea caldurii intr-un mediu granular: se manifesta prin doua mecanisme de transfer:

Eseu: Egipt – date generale si economice Document online: Test de evaluare la geografie - relieful Romaniei

-transmiterea caldurii intre fluide si particulele solide, care se produce la suprafata particulelor solide, fiind o transmitere convectiva;

-transportul de caldura asociat agitatiei particulelor solide in strat, ceea ce este asimilat cu o macroconductie si careia i s-a dat numele de conductie activa.

Intensitatea transmiterii caldurii sub forma ambelor mecanisme a fost studiata in functie de debitul fluidului, de granulometria particulelor solide si de porozitatea stratului.

Rezultatele experimentale dovedesc ca ,pentru aceleasi particule solide si pentru acelasi debit de fluid, valoarea coeficientului de convectie in mediu fluidizat este mai mare decat in mediul stratului fix. De asemenea se demonstreaza ca in stratele poroase numai o parte din suprafata particulelor solide participa la schimbul de caldura.

c)      Ridicarea  apelor termale in lungul faliilor

Existenta anomaliilor hidrogeotermice in zonele afectate tehconic  a sugerat modelari pentru descrierea relatiei intre fenomenul geotermic si procesele hidrogeologice din subsol.In cadrul acestor modele s-au putut stabili relatii intre anomalia de temperature si debitul apelor termale subterane, respective cantitatea de ape termale necesara explicarii anomaliei de temperatura .

Un asemenea este reprodus in (fig. 2. ) Modelul isi propune rezolvarea a doua probleme:

-Calcularea incalzirii blocurilor b in conditii izotermice limita ;

-Cantitatea de apa termala ascensionala necesara incalzirii pana la temperaturile din zonele d.

d) Model de simulare a evolutiei sistemului hidrotermominerale subterane:

Intr-o roca poros-acvifera, procesele de acumulare si de descarcarei a apei, celei ale mineralizatiei si cele ale caldurii se propaga din aproape in aproape prin difuzivitatea hidraulica, dispersionala si respectiv termica.

Propagarea reala prin roca acvifera a apei eliberabile, a mineralizarii si a caldurii se poate studia fie recurgandu-se la legile fizicii clasice ale fluidelor, fie prin cele care descriu deplasarea unormedii continue, echivalente din punct de vedere hidrotermodinamic si care se conformeaza legilor fizicii clasice ale fluidelor (de exemplu, legile liniare de filtrare a lui Darcy, de difuzie a lui Fick, de termoconductie a lui Fourier etc ) Apa eliberabila se misca cu o anumita viteza efectiva, definite ca inpuls al unitatii de masa, mineralizatia se propaga prin dispersie hidrodinamica (conventie si difuzie moleculara )cu o viteza rezultanta in apa eliberabila, iar caldura se propaga prin convectie si conductie cu o viteza, de asemenea, insumata din apa eliberabila, din apa retinuta in compartimentele minerale solide, precum si, in ansamblul, roca poros-acvifera.

In cadrul acestui concept fundamentat fizico-matematic a fost realizat un model de simulare a evolutiei sistemului hidrotermomineral din panonianul superiol al Campiei de Vest a tarii, subdomeniul Biharia-Secuieni (zona in care treapta geotermica medie este de 20 m/grade C, iar apele sunt inmagazinate in conditii hidrodinamice sub presiune intr-o hidrostructura tipica de depresiune), pe baza unor valori locale cunoscute prin masuratori periodice in punct de observatie (sonde si emergente naturale ).

Cu aceste date , au fost intocmite doua seturi de harti hidrogeologice, printr-o retea patratica de 1000 X 1000 m.cu reprezentari successive ale celor 3 campuri :

-Harti cu hidroizohipse:

-harti cu hidromineralizatii;

-harti cu hidroizoterme

La 2 momente separate prin intervalul de timp de 2500 zile.

Pe baza acestor harti au fostb estimate ca medii zonale ,in punctele nodale ale retelei patratice valorile sarcinii piezometricei,ale concentratiei sau densitatii unui anumit element sau grup de elemente, precum si de temperature, toate la momentele successive considerate  pentru justificarea aplicarii si integrarii ecuatiilor cu diferente finite de difuzivitate hidraulica,dispersionala si termica.Rezolvarea acestor ecuatii afirma ca s-a obtinut nu numai o deteriorare a parametrilor si prevederea evolutiei sistemului hidrotermomineral intr-o varianta de exploatare (fig.3.),dar si simularea comportarii sale in alte variante corespunzatoare altor distributii ale surselor de exploatare si ale debitelor pe surse din domeniul investigat.Imaginile din fig.3 simuleaza evolutia sistemului hidrotermomineral din subdomeniul considerat, prin dubla calculare a parametrilor mentionati(la momentele t1=t0+2500zile si t2=t0+5000 zile), in nodurile aceleiasi retele patratice cu latura de 1000 m.